CN104167475B - 一种发光二极管外延片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片及其制作方法，属于半导体技术领域。所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型GaN层，有源层为交替生长的InGaN层和GaN层，外延片还包括超晶格GaN层，超晶格GaN层层叠在未掺杂GaN层和N型GaN层之间，超晶格GaN层包括交替生长的第一GaN层和第二GaN层，第一GaN层采用三维3D模式生长，第二GaN层采用二维2D模式生长。本发明通过插入采用3D模式生长的GaN层，一方面可以使位错偏折、合并，另一方面，有效改变被全反射反射回来的光的方向，从而再次出射，提高了LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制作方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件，具有体积小、亮度高、能耗小的特点，被广泛的应用于显示屏，背光源和照明领域。
现有的LED外延片包括蓝宝石衬底、以及依次生长在衬底上的未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型GaN层。其中，有源层为交替生长的InGaN层和GaN层。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
衬底材料蓝宝石与其它各层材料GaN属于异质材料，晶格失配率高达14％，位错密度高达108cm-2，电子和空穴辐射复合的几率较低，LED的发光效率较低。而且GaN的折射率为2.5，空气的折射率为1，只有在入射角在23.6°范围内的光才能透过GaN出射到空气之中，大部分光将被反射回来，进一步降低了LED的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术LED的发光效率较低的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制作方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型GaN层，所述有源层为交替生长的InGaN层和GaN层，所述外延片还包括超晶格GaN层，所述超晶格GaN层层叠在所述未掺杂GaN层和所述N型GaN层之间，所述超晶格GaN层包括交替生长的第一GaN层和第二GaN层，所述第一GaN层采用三维3D模式生长，所述第二GaN层采用二维2D模式生长，所述第一GaN层和所述第二GaN层的厚度比为1:3-1:6。
可选地，所述第一GaN层和所述第二GaN层的总层数为16-60层。
可选地，所述第一GaN层的厚度为30-100nm。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制作方法，所述方法包括：
在蓝宝石衬底上沉积未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上沉积超晶格GaN层，所述超晶格GaN层包括交替生长的第一GaN层和第二GaN层，所述第一GaN层采用三维3D模式生长，所述第二GaN层采用二维2D模式生长，所述第一GaN层和所述第二GaN层的厚度比为1:3-1:6；
在所述超晶格GaN层上依次沉积N型GaN层、有源层、P型GaN层，所述有源层为交替生长的InGaN层和GaN层。
可选地，所述第一GaN层和所述第二GaN层的总层数为16-60层。
可选地，所述第一GaN层的厚度为30-100nm。
可选地，沉积所述第一GaN层时的压力为500-800mbar。
可选地，沉积所述第一GaN层时的Ga流量为沉积所述第二GaN层时的Ga流量的1/3-1/2，沉积所述第一GaN层时的温度比沉积所述第二GaN层时的温度低50-100℃。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过插入采用3D模式生长的GaN层，一方面可以使位错偏折、合并，降低位错密度，提高电子和空穴辐射复合的几率，进而提高LED的发光效率；另一方面，由于采用3D模式生长的GaN层表面是不平整的，存在斜面反射，可以有效改变被全反射反射回来的光的方向，使得这些光有可能被再次出射，提高了LED的二次出光效率，从而进一步提高了LED的发光效率。而且插入采用2D模式生长的GaN层，可以保证超晶格GaN层的表面最终是平整的，因此将超晶格GaN层设置为交替生长的采用3D模式生长的GaN层和采用2D模式生长的GaN层，可以最大限度地降低位错密度，显著提高LED的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种LED外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种LED外延片的制作方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种LED外延片，参见图1，该外延片包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底1上的未掺杂GaN层2、超晶格GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型GaN层6。
在本实施例中，超晶格GaN层3的生长温度为750-1050℃，超晶格GaN层3包括交替生长的第一GaN层31(用阴影表示)和第二GaN层32，第一GaN层31采用3D(三维)模式生长，第二GaN层32采用2D(二维)模式生长。有源层5为交替生长的InGaN层51和GaN层52。
具体地，第一GaN层31的Ga含量可以为第二GaN层32的Ga含量的1/3-1/2。
可选地，第一GaN层31和第二GaN层32的总层数可以为16-60层，保证较好的光反射效果，提高出光效率。
可选地，第一GaN层31和第二GaN层32的厚度比可以为1:3-1:6，一方面可以保证采用2D模式生长的GaN层可以对采用3D模式生长的GaN层进行填平，使得超晶格GaN层的表面最终是平整的，另一方面也可以保证好的反射效果，提高LED的发光效率。
可选地，第一GaN层31的厚度可以为30-100nm，既保证采用3D模式生长的GaN层的反射效果，又能使采用2D模式生长的GaN层较容易地对采用3D模式生长的GaN层进行填平。
在本实施例中，未掺杂GaN层2的厚度可以为2μm，N型GaN层4的厚度可以为2μm。在其它实施例中，未掺杂GaN层2和N型GaN层4的厚度也可以为其它值，本发明对比不作限制。
本发明实施例通过插入采用3D模式生长的GaN层，一方面可以使位错偏折、合并，降低位错密度，提高电子和空穴辐射复合的几率，进而提高LED的发光效率；另一方面，由于采用3D模式生长的GaN层表面是不平整的，存在斜面反射，可以有效改变被全反射反射回来的光的方向，使得这些光有可能被再次出射，提高了LED的二次出光效率，从而进一步提高了LED的发光效率。而且插入采用2D模式生长的GaN层，可以保证超晶格GaN层的表面最终是平整的，因此将超晶格GaN层设置为交替生长的采用3D模式生长的GaN层和采用2D模式生长的GaN层，可以最大限度地降低位错密度，显著提高LED的发光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种LED外延片的制作方法，适用于制作实施例一提供的LED外延片，参见图2，该方法包括：
步骤200：对蓝宝石衬底进行预处理。
具体地，该步骤200可以包括：
将蓝宝石衬底放入MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)系统中，高温热处理10-15分钟。
例如，在MOCVD系统中，将蓝宝石衬底在温度为1100℃，纯氢气气氛里高温处理15分钟。
步骤201：在蓝宝石衬底上沉积未掺杂GaN层。
具体地，该步骤201可以包括：
在1000℃下生长3μm的GaN。
可选地，在步骤201之前，该方法还可以包括：
在600℃下生长20nm的GaN。
步骤202：在未掺杂GaN层上沉积超晶格GaN层。
在本实施例中，超晶格GaN层3的生长温度为750-1050℃，超晶格GaN层包括交替生长的第一GaN层和第二GaN层。第一GaN层采用3D模式生长，第二GaN层采用2D模式生长。
第一GaN层和第二GaN层的总层数为20，第一GaN层的厚度为80nm，第二GaN层的厚度为250nm。
具体地，第一GaN层31的Ga含量可以为第二GaN层32的Ga含量的1/3-1/2。
可选地，第一GaN层和第二GaN层的总层数可以为16-60层，保证较好的光反射效果，提高出光效率。
可选地，第一GaN层和第二GaN层的厚度比可以为1:3-1:6，一方面可以保证采用2D模式生长的GaN层可以对采用3D模式生长的GaN层进行填平，使得超晶格GaN层的表面最终是平整的，另一方面也可以保证好的反射效果。
可选地，第一GaN层的厚度可以为30-100nm，既保证采用3D模式生长的GaN层的反射效果，又能使采用2D模式生长的GaN层较容易地对采用3D模式生长的GaN层进行填平。
可选地，沉积第一GaN层时的压力可以为500-800mbar，实现GaN层的3D生长时所需的高压条件。
可选地，沉积第一GaN层时的Ga流量可以为沉积第二GaN层时的Ga流量的1/3-1/2，实现GaN层的3D生长时所需的低Ga流量。
可选地，沉积第一GaN层时的温度可以比沉积第二GaN层时的温度低50-100℃，实现GaN层的3D生长时所需的低温条件。
步骤203：在超晶格GaN层上依次沉积N型GaN层、有源层、P型GaN层。
在本实施例中，有源层为交替生长的InGaN层和GaN层。
具体地，N型GaN层的厚度可以为2μm，InGaN层的厚度可以为2.5nm，GaN层的厚度可以为12nm，P型GaN层的厚度可以为0.4μm。
可选地，在步骤203之后，该方法还可以包括：
将反应腔的温度降至800℃，纯氮气氛围进行退火处理10min，然后降至室温。
本发明实施例通过插入采用3D模式生长的GaN层，一方面可以使位错偏折、合并，降低位错密度，提高电子和空穴辐射复合的几率，进而提高LED的发光效率；另一方面，由于采用3D模式生长的GaN层表面是不平整的，存在斜面反射，可以有效改变被全反射反射回来的光的方向，使得这些光有可能被再次出射，提高了LED的二次出光效率，从而进一步提高了LED的发光效率。而且插入采用2D模式生长的GaN层，可以保证超晶格GaN层的表面最终是平整的，因此将超晶格GaN层设置为交替生长的采用3D模式生长的GaN层和采用2D模式生长的GaN层，可以最大限度地降低位错密度，显著提高LED的发光效率。另外，本发明实施例提供的方法使用便捷、加工效率高、成本低廉，可以实现大规模生产的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种发光二极管外延片，所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型GaN层，所述有源层为交替生长的InGaN层和GaN层，其特征在于，所述外延片还包括超晶格GaN层，所述超晶格GaN层层叠在所述未掺杂GaN层和所述N型GaN层之间，所述超晶格GaN层包括交替生长的第一GaN层和第二GaN层，所述第一GaN层采用三维3D模式生长，所述第二GaN层采用二维2D模式生长，所述第一GaN层和所述第二GaN层的厚度比为1:3-1:6。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一GaN层和所述第二GaN层的总层数为16-60层。
3.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述第一GaN层的厚度为30-100nm。
4.一种发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
在蓝宝石衬底上沉积未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上沉积超晶格GaN层，所述超晶格GaN层包括交替生长的第一GaN层和第二GaN层，所述第一GaN层采用三维3D模式生长，所述第二GaN层采用二维2D模式生长，所述第一GaN层和所述第二GaN层的厚度比为1:3-1:6；
在所述超晶格GaN层上依次沉积N型GaN层、有源层、P型GaN层，所述有源层为交替生长的InGaN层和GaN层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一GaN层和所述第二GaN层的总层数为16-60层。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述第一GaN层的厚度为30-100nm。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，沉积所述第一GaN层时的压力为500-800mbar。
8.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，沉积所述第一GaN层时的Ga流量为沉积所述第二GaN层时的Ga流量的1/3-1/2，沉积所述第一GaN层时的温度比沉积所述第二GaN层时的温度低50-100℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |